高压变频调速技术应用现状与开展趋势.docx

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1、高压变频调速技术应用现状与开展趋势开发的三电平电压源型高压变频装置主要应用于电厂、水厂、钢厂、矿山、冶金、化工、石油等工业领域的高压电动机节能驱动，控制风机、水泵、轧钢机等设备的节能运行，应用效果显著。该公司消费的MLVERTS系列高压变频器采用二极管中点钳位三电平电压源逆变器构成主电路，开关器件在国内最先使用ABB公司先进的大功率集成门极换相晶体闸流管IGCT串联技术，知足国内6kV电动机直接“高高方式驱动的要求。目前国内投运的高压变频器已接近3000套，分别为：1罗宾康公司450套2西门子公司300套3罗克韦尔AB公司200套4ABB公司160套5利德华福公司650套6东方日立公司480套

2、7中山明阳龙源公司180套8哈尔滨九洲公司120套9成都佳灵公司80套10山东新风光60套11上海科达公司50套12广州智光公司40套13湖北三环公司16套14其他公司品牌约200套左右4高压变频调速中的关键控制技术及其开展1矢量控制技术1971年西门子公司提出的矢量变换控制是一种新的控制思想和控制理论。其根本思想是把沟通电机模拟成直流电机进展控制。它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现沟通电动机的转速和磁链控制的完全解耦。迄今为止，矢量控制技术已经获得了长足的开展。2无速度传感器矢量控制技术近年来高性能异步电机调速系统得到广泛的应用，而速度传感器的安装、维护以及低速性能等方面的问题，影响

3、了异步电机调速系统的简便性、廉价性和可靠性。无速度传感器异步电机的控制已越来越受到人们的关注和重视。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的优点，但是，在进展矢量控制时怎样获得速度信号是无速度传感器矢量控制的技术关键。无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是直接计算、参数辩识、状态估计、间接测量等手段，根据电机定子较易测量的定子电压、电流计算出与速度有关的量，进而得到转子速度，并将其用于速度反应系统之中。常用的方法有：利用电机的根本方程式静态和动态导出速度的方程式进展计算。根据模型参考自适应控制的理论，选择适宜的参考模型和可调整模型，利用自适应算法

4、辩识出速度，利用电机的齿谐波电势计算速度等。从1983年提出无速度传感器矢量控制策略以来，一直受到学术界和产业界的高度重视，日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果，并相继推出了产品。目前，无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为150左右，个别厂商有175甚至更高的产品。3直接转矩控制技术直接转矩控制技术简称DTC，是近10年继矢量控制技术之后开展起来的又一种新型的高性能沟通变频调速技术。实际上，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电机参数的影响比拟大，而且矢量变换比拟复杂，存在着某些理论与理论不符的情形。1985年，德国的M.Depenblock首次提出DTC的理论。它直接在定子坐

5、标系下分析沟通电机的数学模型，采用定子磁场定向而无需解耦电流，直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的速度响应，以获得高效的控制性能。这种控制技术与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，不受转子参数的影响，简单易行，在很大程度上克制了矢量控制技术的缺点，具有广阔的开展和应用前景。4PWM控制技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如沟通传动，不连续电源和有源滤波器的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到深化研究。所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定外形的电压脉冲序列。来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。自关断器件的

6、开展为PWM技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制，可以明显改善变频器输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的构造，加快了调节速度，进步了系统的动态响应性能。PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制，PWM整流器如今已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色变流器。目前已经提出并得到应用的PWM控制方案就不下数十种，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化以后，把戏更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少

7、，再到消除噪音等，PWM控制技术的开展经历了一个不断创新和不断完善的经过。目前仍有新的方案不断提出，这讲明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已趋成熟，并有很多已在实际中得到应用。PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或者查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式电压或者磁通控制型和闭环式电流或者磁控制型。随着计算机技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。沟通电机调速性能的不断进步在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规

8、那么采样PWM的根底上开展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制轻易的特点。5数字化控制技术控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术，是今后的开展趋势。目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制，由于元件的高性能和小型化，使变频装置实现了控制的高精度，采用DSP和ASIC实现了快速运算和高精度控制，可以得到良好的电流波形使变频器的噪音大幅度降低。由于应用微电子技术和ASIC技术，装置的元器件数目得以大幅度减少，进而使变频装置的可靠性大幅度进步。早期由于受CPU处理速度限制和离散化延迟时间的影响，电流控制响应为数毫秒，速度控制响应为十毫秒

9、左右。近年来CPU处理速度的进步和应用DSP、ASIC控制使扫描时间大幅度缩短，目前电流响应为0.10.7ms，速度响应为24ms，足以知足传动领域的控制要求。6自整定技术在变频调速系统中自整定技术的应用日益广泛，它可以根据速度和负载的变化自动调速控制系统的参数，使得系统具有快速的动态响应。自整定技术分为离线式和在线式两种。离线式的研究成果已经在相当多的产品中应用，它是在运行系统程序之前通过运行一段自整定程序，辩知趣关数据，并修改系统程序的相关参数，以期获得良好的系统控制性能。离线式自整定的缺点是当系统运行后，不能实时修改系统参数，因此系统不能获得最正确控制性能。在线式自整定可以实时修改控制器

10、的参数，因此可以获得最正确控制性能。自整定技术的研究课题包括：扩大应用范围、进步精度、在线自整定等。同时，改良控制技术，进步系统鲁棒性也和自整定技术严密相联络。7沟通传动系统的智能控制当代控制理论和智能控制理论在沟通传动领域应用特别活泼，在控制量如磁链、速度、转矩、磁极位置的检测、估计中已有相当成熟的研究成果，局部成果在产品中得到应用。尤其是应用观测器的理论构造系统状态观测器，估算系统中难以用传感器检测到的物理量，改善系统控制性能，获得了良好的效果。模糊逻辑、神经元网络、变构造控制相结合的智能控制理论在沟通传动系统中具有良好的应用前景。智能控制是从解决工程和技术问题的理论中产生和开展起来的，随

11、着自动化程度的进步和普及，受控对象日趋复杂，对于很多难以获得数学模型或者模型复杂的经过，应用经典和当代控制理论往往不能获得令人满足的控制效果，甚至完全无能为力，可是在手动控制中，纯熟的操纵人员却可以驾驭自如。由此，人们很自然地产生了在自动控制技术中借鉴纯熟人员经历的想法。计算机控制技术的开展为实现这一愿望提供了可能，计算机在逻辑推理、判定、识别、决策、学习等方面的功能可以承当按照纯熟操纵人员和专家的经历与方法进展控制的工作。另一方面，很多探究怎样实现人脑思维功能的学术领域，如人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑等的研究也获得了可喜的进展，这些研究成果从不同的角度提出了各种仿照人的知识、思维进

12、展控制的方法，统称为智能控制。它的开展也给沟通调速系统的控制策略带来了新思想、新方法，使沟通传动系统的智能控制已成为当前的一个研究热门。5高压变频调速技术的开展趋势20世纪末，沟通电动机变频调速技术以电力电子功率变换技术、微电子控制技术为核心得到了惊人的开展，展望21世纪，变频调速技术将会有更大开展。功率变换器的高频低损耗化、自关断化、模块化、高耐压、大容量化；矩阵变频器的出现的推广变频器在同步电动机的应用控制技术的数字化、矢量控制化、直接转矩控制化无速度传感器矢量控制操纵系统的网络化硬件通用化、调试维护软件化变频装置无谐波化，采用多电平、多重化、带就地补偿工作负荷参数的模型化新理论新机理新材

13、料的出现将会出现新概念功率变换器件、新概念变频装置下面分别加以下介绍：1在开关器件方面：IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流，在21世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。在21世纪，IPM及智能化变频器将会有很大的开展。功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化，实现高效节能、多功能、高性能、高附加值，同时将研究开发新电力电子器件IGCT、IEGT集成发射式门极晶闸管IntegratedEmitGateThyristor、GaAs砷化镓、SiC碳化硅复合器件、光控IGBT及超导功率器件等新功能变频器。2在变频电路拓扑构造方面

14、：基于双PWM能量回馈的绿色变频电路是变频调速技术的开展趋势，即整流局部也采用电力电子自关断器件构成，并对其进展PWM控制。一方面使沟通输入电流波形为正弦，且功率因数为1；另一方面实现能量向电网回馈，保证变频器四象限运行。除此之外，PWM整流电路还有助于减小直流环节滤波电容的容量，随着电力半导体器件性能的不断进步和价格的不断下降，这种构造会得到广泛地推广和应用。3在变频控制电路方面：如今变频装置几乎已实现了数字化控制，但控制技术的微电子数字化还是今后的开展趋势。变频装置的数字化技术是从20世纪80年代中期开场逐步开展到16位、32位微处理器，目前普遍采用DSP。4矢量控制技术及直接转矩控制技术

15、：矢量控制仍然是高性能沟通电机调速系统的主流控制策略。它所包涵的关键技术有：控制理论和方法，如PWM技术，磁通的观测，速度辩识，无速度传感器控制；电机铁损补偿，参数辩识，参数变化的补偿；主电路使用新型电力半导体器件，进步开关频率，改善电压或者电流波形，同时使用微电子技术所提供的DSP、CPU、ASIC等。直接转矩控制技术在低速范围还存在着很多难题，尤其是定子电阻的辩识问题，已经成为它进一步开展的障碍，困扰着各国的学者。对于矢量控制低速范围已有了相应的解决方法，这些对于直接转矩控制系统的低速性能，具有重大的和现实的指导意义。理论证实，已经不可能从电机本身来完善直接转矩控制技术，必须另辟途径。当代

16、控制理论的开展为沟通调速电气传动系统的控制提供了坚实的理论根底，各国学者也越来越多地把当代控制技术应用于沟通电机的调速控制中。直接转矩控制作为一种新兴的、更为先进的技术，需要各种先进的辅助技术作为支撑，各种新技术的推广应用给直接转矩控制技术注入新的活力，促进它的不断完善和开展。最近，人工神经网络已开场应用于直接转矩控制技术中，这是一个有益的尝试，也是一个良好的开端。将当代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究，无疑是这种新技术的开展趋势，也是当前值得深化研究的课题。直接转矩控制变频器的商品化进程将获得重大进展。5PWM及多电平技术：消除机械和电磁噪音的最正确方法并不是盲目地进步工作频率，随机PW

17、M技术可以提供一种新途径。由于PWM逆变器的开关损耗随着功率和频率的增加而迅速增加，因此，在高频化和大功率方面还有大量工作。目前进步开关频率的一个方法是采用谐波技术及在此根底上开展起来的软开关技术。在大功率装置方面，除尽量采用优化PWM形式外，多电平逆变器也越来越受人们的重视，此时开关损耗问题转化为多管串联的均压问题。6以网络配置为主的系统化变频器的网络化配置主要基于3个层面：设备层，控制层和信息层。其中变频器作为执行器，可以配接最根本的RS232/RS485串行通迅协议、Profibus等的现场总线协议以及Internet局域网协议。针对不同的控制系统和不同的用户要求，配置和选用不同的网络协

18、议。网络化配置的变频用具有以下显著的特点：高精度的频率设定；远程控制与工厂信息化的根本要素；远程诊断系统。通过网络设定频率是一种高精度的频率设定，其具有通迅速率高，稳定可靠，接线简单等优点，而且在模拟量控制时，输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端变频器又经过一个模数转换器才能介入控制，两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差，而通迅传递直接是数字量不需要转换，没有误差，在传输经过中不会造成损耗，而且响应速度也会很高。变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中，如无人值守泵站、油田磕头机等。变频器故障率在这种环境中自然比拟高，一般都采取事后维修的方式进展，

19、随着电子技术的开展，传统的维修方式将变为故障预告和整机在线维修。有必要对其实如今线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究，以便对其故障的事先诊断分析。目前大功率变频器的故障诊断、远程监控系统及智能控制方面获得了较大的进展，并已经投入实际运行。在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通迅连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、进步消费效率、减少运行本钱。目前安装的现场总线模块有ProfibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen和ModbusPlus等。用户可以有更大的自由根据消费经过来选择PLC型号和品牌，并非常简单地集成到现有的网络

20、中去。而且通过现场总线模块，可以不考虑变频器的型号，而以同一种语言来与不同功率段、不同型号的变频器进展组构，如功率、速度、转矩、电流、设定值等。由于采用了通迅方式，可以通过PC机来方便地进展组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。7与同步电机的配合应用沟通同步电动机已成为沟通可调速传动中的一颗新星，十分是永磁同步电动机。电机是无刷构造，功率因数高、效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类，自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器，如采用交-直-交变压变频器时叫做“直流无换向器电机或者称“无刷直流电动机。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器，现正开发无转子位置传感器的系统，且已经获得重大进步和在市场的成功应用。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机更为简单。参考文献：1徐甫荣.高压变频调速技术应用理论M.中国电力出版社.20072.2张承慧等.变频调速及其控制技术的现状与开展趋势J.变频器世界.200112.3李方圆.浅谈变频器应用和开展的几个趋势A.第三届变频器行业企业家论坛论文集.20048.